泵类推进器噪声源分析与验证

限于泵喷工程应用的高度敏感性以及当前国内泵喷尚未能成功应用于潜艇推进的现状，任何可以搜集到的与泵喷直接或间接相关的测量数据对于指导泵喷设计与噪声控制来说都极为重要。

一方面，鉴于2014年国内大型消声循环水槽的最低有效分析频率仅能达到800 Hz［64］，即使经过设备改造升级，2018年底也仅能达到约450 Hz，与推进器最为关注的低频线谱噪声（通常位于100 Hz以内）低频段仍然差距较远，导致在实验室状态下无法对推进器低频线谱噪声进行直接评估。另一方面，实船海试辐射噪声测量时，由于机械噪声、推进器噪声和流噪声三者共同存在，且艇外流体流动和艇内动力装置设备的工作状态均会直接影响推进器的噪声大小，导致无法得到单纯推进器噪声的准确测量数据，也就更加难以明确界定推进器低频线谱噪声的大小。为了合理定位泵喷主要噪声源，借助间接类比分析来理论查找泵喷的主要线谱噪声来源，具体如下：

首先，第27届国际拖曳水池会议水动力噪声专家委员会报告明确阐述：无空化螺旋桨脉动水动力辐射噪声主要包括离散线谱噪声和连续宽带谱噪声两类。离散线谱噪声主要由桨叶工作于非均匀伴流时产生，线谱频率与桨叶叶频（叶片数×转速）及其谐频（叶频的整数倍）对应，前3阶线谱频率通常低于100 Hz。该结论已经在船尾伴流场中螺旋桨噪声的空泡筒试验测量结果中得到证明。泵喷转子的工作原理与螺旋桨类同，该结论可以作为泵喷转子声场分析的基础，抑制其线谱噪声是控制螺旋桨水动力噪声的关键。

其次，Morris在美国海军研究署资助的研究报告［65］中阐述：刚性导管内的螺旋桨噪声测量结果表明，主要离散线谱噪声频率位于桨叶叶频和二阶叶频处。螺旋桨位于刚性导管内部时，导管对螺旋桨声场的屏蔽和反射作用已经较为接近泵喷有限长导管对转子声场的影响作用，两者具有可比性。(www.xing528.com)

再次，弗吉尼亚理工学院暨州立大学的Tweedie在完成硕士学位论文［66］的过程中通过实验测量表明：叶轮和定子的相互作用水声测量结果显示，主要离散线谱噪声频率位于一阶叶频、二阶叶频、三阶叶频和四阶叶频处，且以叶频处线谱噪声最为突出。叶轮和定子的相互作用已经极为接近泵喷导管包裹的定子和转子的相互作用，具有可移植性。若与前文所述有限长导管对转子声场的影响作用相结合，即可拓展得出泵喷主要线谱噪声源仍将表现为转子叶频及其低次谐频（通常位于前3阶谐频）的结论，可以由此进一步开展数值计算和试验测量工作。

最后，为了间接证明该推论的合理性，瑞典SSPA公司在VISBY隐身护卫舰声学设计过程中针对喷水推进泵（简称喷泵）的噪声计算结果［67］表明：低频离散线谱噪声以二阶叶频处噪声为主。喷泵由轮缘、叶轮和定子组成，轮缘包围叶轮和定子，功能与泵喷导管的内壁面相同。从结构部件来看，喷泵与后置定子式泵喷几乎相同，除了导管外壁面具有流场脉动和声辐射的作用无法再现外，叶栅通道内流场的流动与声辐射都具有相似性。由此可以说明，前文得出的“泵喷主要线谱噪声源为转子叶频及其低次谐频”的结论是可用的，抑制泵喷低频辐射噪声大小时，首先需要抑制低频离散线谱的噪声大小，关键是控制一阶叶频和二阶叶频处的噪声幅值。

噪声作为一个综合输出量，在直接设计时难以一步到位实施控制，需要与水动力参数对接起来才能进行有效转换。由经典声学理论可知：在螺旋桨叶型及其运行状态参数一定的情况下，叶片数和伴流分布是影响螺旋桨脉动推力系数，进而决定线谱噪声声强的关键要素，直接影响到螺旋桨水动力噪声的量值大小。以图8.48为例，当标模SUBOFF潜艇无附体时，桨盘面处伴流速度及湍流速度脉动量和涡量场均表现出明显的周向对称性，流场不均匀度为0.051 4；存在十字形尾翼附体时，尽管伴流场总体上仍呈现一定的对称性，但流场不均匀度增加至0.107 8，尾涡集聚在一定程度上干扰了泵喷进流，增加了非定常力的线谱噪声。换句话说，在叶片数寻优的情况下，控制了船尾伴流场在周向和径向上的空间分布，即等同于控制了螺旋桨水动力噪声大小。因此，脉动推力系数，或者说是非定常力，就是螺旋桨噪声控制的关键参量。该结论将直接移植应用于泵喷低噪声设计与噪声控制。